复合叶片
目前,美国军方正忙于为其直升机机队配备碳纤维复合材料(碳)叶片,因为这些新材料具有更长的使用寿命,耐受损坏,它们没有腐蚀问题,并且具有高可靠性。
配备复合叶片的极端军用直升机是波音AH-64D阿帕奇Block III。 在加利福尼亚州的欧文堡,Apache Unit III进行了初步的运营测试和评估,展示了新技术及其功能。
这些功能的关键方面之一是用碳纤维叶片提高主旋翼的飞行性能和可靠性,然而,根据Apache Block III项目经理Daniel Bailey中校的说法,这种材料的使用不太可能只停留在叶片上。 “刀片是第一个明显的步骤,”他告诉国防直升机。
结构要素
尽管像叶片这样重要的飞行部件似乎是引入新技术的一个奇怪的起点,但近年来美国军方已经磨练了他们在复合材料方面的技能。 贝利指出,这些材料将在美国军方的“明日直升机”中广泛代表:“下一步将是机身复合材料,我们已经走上了这条道路。”
Apache还将在明年左右收到一个新的尾桨。 无论Block III过程如何,“我们的复合尾桨计划仍在继续。这是一个并行的Block III计划,”Bailey说。这样的系统。“
Block II的升级型号也将安装新的尾翼。 这种传统的主旋翼和尾旋翼叶片的更换是由于某些技术的淘汰。 这些刀片的首次使用时间为1970-mi年,不再完全是金属刀片。 直升机AH-64A和D座I和II使用金属和玻璃纤维的复合材料用于主旋翼和尾旋翼叶片。
在机械工程中,它被认为是由多于一种元素组成的复合材料或结构。 Apache刀片由AM 355不锈钢形式的特殊合金制成。 波音公司的工程师使用各种多管AM 355配置,这些配置与玻璃纤维管层压在一起,并作为裂缝传播的障碍,这使得该结构具有足够的强度以满足军事生存要求。 这种复杂的结构也很昂贵。
第三组及其平行程序中介绍的主螺杆和尾螺杆的现有复合叶片由聚合物基质中的碳纤维组成,这在谈论复合材料时通常意味着什么。
改进设计
碳纤维在制造方法和功能方面有所改进。 “通过改变纤维的方向以及层数和填料的数量,您可以将复合材料叶片带到金属无法达到的水平。事实上,您可以根据其扭曲,空气动力学曲线或弦功能制作叶片,优化其飞行特性” - 解释了波音John Schibler(John Schibler)直升机项目的总工程师。
在碳纤维复合材料中,纤维层通常以直角彼此交替地定位。 通过正确选择这些层中纤维的方向,可以在特定方向和区域中获得必要的特性。
“优点在于材料的强度,并且在相同的强度下,可以提供高达30%的重量损失(与金属复合材料相比)。在相同的重量下,它提供了更高的刚度。但通常我们谈论的是减轻重量,” Daniel Kagnatel(Daniele Cagnatel),现代复合材料副总裁GKN Aerospace North America。 该公司为西科斯基公司提供现代碳纤维,用于黑鹰直升机主旋翼的叶片。
除了提高刚度和强度外,Schibler还指出了经济效益:“我们以相对较低的采购价格生产叶片,并且运行成本低,可维护性更高。”
西科斯基使用石英树脂翼梁编织玻璃纤维或碳纤维制造主旋翼和尾旋翼的叶片。 西科斯基复合材料叶片首席执行官艾伦•沃林(Alan Walling)表示:“西科斯基能够在生产金属叶片所需时间的三分之一内生产全复合材料转子叶片。复合材料叶片生产中的化学废料更少。这是因为金属刀片需要在酸浴中进行蚀刻,以确保长时间保持刀片的飞行性能。“
改进刀片
根据Kagnatel的说法:“刀片的碳纤维的选择是强制性的。刀片的现有结构已经在实践中证明了,碳纤维与金属相比具有改善的飞行性能。”
碳纤维Apache Unit III转子叶片的选择始于Affordable Apache转子计划(AARP)。 在2004中,波音公司完成了AARP计划下刀片的测试,证明新刀片将更便宜,更坚固,并且在疲劳寿命方面,它们的使用寿命是现有金属刀片的两倍。 Bailey解释说,在2006中,AARP刀片延长了15厘米以提高飞行性能,而在2008中,它们在Apache上进行了测试,而第三单元的刀片资格在2011中完成。 。
“用于Apache Block III计划的复合转子叶片目前正在生产中。我们每月生产20刀片,并很快将其生产量增加到40和60,”Schibler说。
在2013年,Block III将在美国陆军第1突击侦察营(1-1 ARB)投入作战 航空 旅,第1步兵师,驻扎在堪萨斯州赖利堡。 1月,五架阿帕奇Block III直升机到达了第XNUMX打击侦察营,以训练飞行员和维修服务,另外的直升机将在未来几个月内到达。
英国军队乘坐模型I的阿帕奇直升机,但他们可以升级到Block III的水平。 预计将在12月做出决定。 如果决定升级到Block III级别,那么Apache UK也可以从转子的英国实验转子计划(英国实验转子计划IV,BERPV IV)接收转子叶片。 BERP IV计划在2007年度完成,复合材料叶片飞越皇家空军EH101 Merlin Mk 3。
经过测试和测试
然而,这不是第一架使用碳刀片的欧洲军用直升机。 欧洲直升机公司Aérospatiale的前身声称,这一荣誉落在了从330飞来的SA 1970 Puma直升机上。 从那以后,这种类型被许多武装部队使用,包括法国军队和美国海军。 复合尾翼也用于AS532 Cougar,AS565 Panther,NH90和Tiger直升机。
西科斯基UH-60M黑鹰使用2008的碳复合材料转子叶片。 在西科斯基直升机中,只有MH-60R和MH-60S Seahawk拥有来自金属(钛)翼梁的转子叶片。
UH-60M黑鹰改造项目负责人比利杰克逊中校说:“我们已经为384部队部署了UH-60M直升机,西科斯基已经在400周围部署了UH-60M直升机其中一些人已经从他们在阿富汗的第二次部署中返回。“
军队使用更宽的复合材料转子叶片,也称为宽弦叶片,因为它们具有改进的重量特性。 减重为204千克。 “这是制造复合材料叶片的主要原因,而不仅仅因为它们是复合材料而创造它们。主要是它们的飞行性能,”杰克逊解释道。
“有一段时间他们一直在研究Sikorsky S-92的配置略有不同,这要归功于我们已经掌握了大量数据。决定转换到全复合材料刀片的风险并不大,”他继续道。 西科斯基公司在92-s末端的S-1990直升机上应用全复合材料翼梁和主旋翼叶片。
UH-60M直升机的飞行技术特性在阿富汗的两次部署中进行了测试,杰克逊坚称他们表现出了良好的效果:“我们目前正在忙着收集有关刀片可靠性的数据。我们已经损坏了刀片,以及修复和修复过的刀片。关于我们是否发现叶片出现裂缝或由于新的复合结构导致无法预见的故障的问题,答案是否定的。“ 基于目前的成功,下一步可以是全复合全旋转稳定器。
减肥计划
除了向Bailey解释叶片是第一步,复合机身如下,杰克逊说:“我们正在寻找复合材料的其他应用。我们目前正在开发一种全复合,全转弯稳定器,可显着减轻重量。”
军队开始研发黑鹰直升机的复合尾梁以减轻其重量,但是,目前,特别强调创造一个包括内部部件的全复合全旋转稳定器。 “我们打算制造一个完全复合的全转弯稳定器,以显着降低直升机区域的重量,这对直升机的重心产生了主要影响。”
杰克逊表示,正如西科斯基公司的提案中已经指出的那样,制造全复合材料全能稳定器的决定并不是因为希望改善其飞行性能,而只是为了降低其生产成本。
“我们仍然需要进行一些测试,弹道测试和其他类型的飞行测试,以确保新产品与原始产品一样好或甚至更好,然后做出关于我们如何在现有平台上实施它的财务决策,实施他在一个有前途的生产中,或者为他们补充一份现有备件清单。“
提供复合尾梁的公司,而不是尾桨叶片,是来自华盛顿州的BLR Aerospace。 销售和营销副总裁Dave Marone(Dave Marone)向国防直升机公司证实,他的公司正在为一名军事客户生产全复合尾梁,但不同意提供更多信息。
未来的计划
另一架必须等到年度2016以获得复合碳纤维转子叶片的直升机是美国陆军CH-47 Chinook。 “新的复合材料叶片被称为Advanced Chinook Rotor Blade(ACRB)。该计划在今年1月2012成功完成了关键设计评审(CDR)阶段,”CH-47 Chinook改造项目经理Joe Hoecherl说道。 )。 飞行和弹道测试在2011年度完成。
ACRB计划将改变刀片的形状及其飞行性能,而不会影响其附件。 “这些刀片可以在所有的支奴干直升机上互换,”Hotserl说。 风洞中的大规模测试已经完成,这表明新的叶片能够提供高达900千克的额外垂直推力,这将使直升机能够在1200°C的气温下以35米的高度全负荷悬挂。
ACRB叶片在风洞中。
叶片的预生产计划于今年4月2014,年度2015第三季度的飞行测试以及年度2016的批量生产。 今年2月,波音公司宣布正在开发复合材料叶片,其使用寿命更长,并且需要更少的时间来消除转子叶片的不连贯性并平衡它们。 这些直升机也可以安装在直升机CH-47D上,但这些直升机计划在第2019年被注销。
知识复合材料
最有可能的是,到2019年,碳纤维叶片将需要更复杂的方法来实现飞行性能的进一步改善。 业界同意叶片不仅仅由碳纤维组成。 Kagnatel相信传感器将内置于其中,能够监控刀片状态并使其更准确地预测其使用寿命。
“趋势越来越多地指向嵌入式系统,加热刀片前缘的元件,以及电压传感器和刀片的变形。未来,这些传感器将成为刀片不可分割的部分,而不是外部元件,”他说。
但是,移动部件也可以安装在叶片上。 布里斯托大学研究与工程主任Paul Weaver正在为英国政府开展一个项目。 该项目称为智能响应复合结构(IRCS)。 “国家创新机构资助了该项目,该项目于两年前通过改变襟翼的形式而结束,”他告诉DH出版物。
国家创新机构由英国政府拥有,从事研究,开发和商业化的融资。 作为IRCS计划的一部分,发现当从吊舱移动到水平飞行时,叶片后缘上的扇形装置可用于改善飞行性能。
西科斯基也从事该领域的研究。 它与美国国防部合作开发主动转子叶片技术。 到目前为止,还没有计划在现有刀片上安装这些设备。
美国军方不是碳纤维叶片部署的先驱,但他们正在积极为其直升机机队配备新刀片这一事实证实了新的复合材料正在积极实施。 对于Bailey来说,碳纤维的重要性是显而易见的:“这些技术将刺激未来军用直升机的发展,无论它们是新的阿帕奇,黑鹰还是奇努克。”
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